Vodná energia, ako aj väčšina ďalších OZE vzniká v dôsledku slnečnej aktivity, ktorá napomáha odparovaniu z morí, oceánov a vodných plôch, následne tvorbe vodnej pary, oblakov a nakoniec spätnému návratu na zemský povrch vo forme zrážok, čím sa vytvára uzavretý kolobeh vody (vodný cyklus). Energiu, ktorú nám voda takto ponúka, je potom možné využiť na výrobu elektrickej energie vo vodných elektrárňach. Jednoznačnou výhodou týchto zdrojov je ich flexibilita a taktiež skutočnosť, že pri výrobe elektriny neprodukujú škodlivé emisie (vrátane skleníkových plynov). Pri veľkých vodných elektrárňach a vodných dielach sa však preukázali aj ich negatívne dopady na životné prostredie a lokálne ekosystémy.

Z fyzikálneho hľadiska je pri využití energie vody rozhodujúci predovšetkým prietok Q, t.j. množstvo / objem vody, ktorý pretečie daným profilom za jednotku času (m3/s) a vertikálna výška spádu vody H (m), vyjadrujúceho tlak padajúcej vody. Spád pritom môže byť prirodzený, daný sklonitosťou reliéfu resp. môže byť umelo vytvorený (prehradením).

Obe uvedené veličiny (t.j. prietok a výška spádu) zohrávajú najdôležitejšiu úlohu pri stanovení hydroenergetického potenciálu danej lokality. Pre výpočet výkonu potom platí nasledujúci vzorec:

P = ρ x g x Q x H

Pričom

• ρ ..... je hustota vody (konšt. 1 000 kg/m3)
• g ..... je gravitačná konštanta = 9,81 m/s2
• Q .... je prietok (m3/s)
• H .... je výška spádu (m)

Pre ročne vyrobené množstvo elektriny jednou vodnou elektrárňou potom približne platí: E (kWh) = P (kW) x 4 500 (h)

V prípade samotných vodných elektrární ide o premenu kinetickej, tlakovej a potenciálnej energie vody (ako výsledku hydrologického cyklu) na energiu mechanickú a následne elektrickú. Vodné elektrárne patria medzi zdroje s najväčšou účinnosťou premeny energie, účinnosť turbín dosahuje až 96%. Súvisí to najmä s jednoduchšou premenou kinetickej, tlakovej a potenciálnej energie padajúcej vody na energiu mechanickú, poháňajúcu generátor. Väčšina vodných diel pozostáva z týchto základných častí (samozrejme modifikovaných vzhľadom na konkrétnu lokalitu a potreby): priehrada s vytvoreným koridorom pre migrujúce ryby a iné vodné organizmy, regulujúca prítok a vyrovnávajúca potrebný spád vody, alternatívne prívodný kanál resp. potrubie, ktorým sa privádza voda z vodného toku k turbíne; turbína otáčajúca sa v dôsledku dopadu a tlaku vody na jej lopatky; generátor vyrábajúci elektrickú energiu, transformátor príp. menič napätia a odvodný kanál, odvádzajúci vodu späť do prirodzeného koryta.

Pri výbere najvhodnejšej turbíny je dôležité zamerať sa na účinnosť, odolnosť voči erózii v prípade väčších nánosov piesku a bahna, prevádzkovú rýchlosť a flexibilitu zariadenia, dlhú životnosť a jednoduchú a ľahkú udržbu. V súčasnosti využívané turbíny je možné rozdeliť podľa spôsobu využitia do dvoch skupín:

• rovnotlaké (Bankiho a Peltonova), využívajúce kinetickú energiu prúdenia vody (rýchlosť závisí od spádu toku)
• pretlakové (Kaplanova, Francisova), využívajúce tlakovú energiu

Celkovo možno povedať, že Kaplanova turbína je vhodná pre nízke spády a vysoké prietoky, má lepšiu účinnosť v širokom výkonovom rozsahu a vyššiu rýchlosť otáčania lopatiek. Francisova turbína je vhodná pre stredné spády a stredné prietoky, turbína a generátor sú lacnejšie než v prípade Peltonovej turbíny, výhodou je tiež vyššia prevádzková rýchlosť v porovnaní s Peltonovou turbínou. Peltonova turbína je vhodná pre vysoké spády a malé prietoky, má v provnaní s Francisovou turbínou lepšiu účinnosť, ľahko sa obsluhuje.

Technicky využiteľný hydroenergetický potenciál Slovenska predstavuje 7361 GWh/r energie a v súčasnej dobe sa využíva v 243 vodných elektrárňach na 57,5 %. Zostáva využiť potenciál,  v hodnote  2500 GWh/r.